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光電效應的規(guī)律

cosmos2062 >《待分類》

2022.07.14 廣東

當我們征服一個又一個高峰后，可以看到在我們面前充滿了趣味和美麗，但我們沒有看到目標，沒有看到地平線。因為遠處還有更高的山峰，登上去，我們將有更開闊的視野。科學的每一個進步都使我們更加感嘆“上帝的工作何等偉大！”

——湯姆遜，電子的發(fā)現(xiàn)者

19世紀60年代是科學發(fā)展史中一個重要的年代。在那幾年，麥克斯韋總結(jié)和發(fā)展了此前電學和磁學領(lǐng)域里的工作，提出了一組關(guān)于電場和磁場的數(shù)學方程。在這組方程中，電場、磁場、電荷和電流相互糾纏在一起，描寫了復雜的電磁現(xiàn)象。通過求解這組數(shù)學方程可以預言，電場和磁場相互交錯以電磁波的形式傳播，并且還能預言光也是一種電磁波。

在麥克斯韋建立經(jīng)典電磁理論的年代，由于受到技術(shù)的限制，人們找不到產(chǎn)生和檢測電磁波的有效方法，因此，這個理論的預言一直沒能得到檢驗。直到20年之后，赫茲找到了一種產(chǎn)生電磁波的簡單的方法，才使得檢驗這個理論成為可能。




詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell，1831~1879)，英國物理學家，經(jīng)典電動力學的創(chuàng)立者。他建立的經(jīng)典電磁理論將電學、磁學和光學統(tǒng)一起來，實現(xiàn)了自然科學的第二次大綜合。		海因里?！?shù)婪颉ず掌?Heinrich Rudolf Hertz，1857~1894)，德國物理學家，于1888年首先證實了電磁波的存在。由于這個重大的貢獻，頻率的國際單位制單位赫茲以他的名字命名。

作為檢驗電磁波實驗的副產(chǎn)品，赫茲發(fā)現(xiàn)，如果用紫外線照射金屬電極，電極的表面就會發(fā)射電荷。這就是所謂的光電效應。發(fā)現(xiàn)光電效應之后，物理學家對這個現(xiàn)象做了大量的實驗研究，但是，對其背后的產(chǎn)生機理卻一無所知。1896年，湯姆遜在研究氣體放電現(xiàn)象和陰極射線的過程中發(fā)現(xiàn)了電子，這讓人們意識到，光電效應其實就是金屬表面附近的電子在受到紫外線的照射時逃離金屬表面的現(xiàn)象。

約瑟夫·約翰·湯姆遜(Thomson，Joseph John，1856~1940)，英國物理學家，電子的發(fā)現(xiàn)者。因在氣體放電的理論和實驗研究方面的杰出貢獻，被授予1906年度的諾貝爾物理學獎。

通過深入的研究，物理學家發(fā)現(xiàn)，光電效應有幾個重要的特點：

1.對某種金屬材料，存在一個臨界頻率，如果入射光的頻率比這個臨界頻率低，那么，不管光的強度有多強，都觀測不到有電子逃離金屬表面；

2.每一個逃離金屬表面的電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)，入射光的強度只影響到單位時間內(nèi)從單位面積的表面上逃離的電子的數(shù)目；

3.如果入射光的頻率高于臨界頻率，那么，無論光強有多微弱，在光照的同時立刻就有電子逃離金屬的表面。

光電效應的這幾個特性，從原則上講無法用麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論來解釋。

根據(jù)經(jīng)典電磁理論，原子中的電子是否能夠以及需要等待多長時間才能夠逃離金屬的表面，與入射光的頻率沒有任何關(guān)系，只與入射光的強度有關(guān)。當一束尋常強度的光照射到一塊宏觀大小的金屬的表面上時，由于金屬表面附近分布的原子的數(shù)目非常巨大，因此，不管這束光的強度有多強，平均分配到每個原子上去的能量是很少的。由于這個原因，當光照射到金屬的表面上時，原子中的電子就必須等待足夠長的時間，才能攢到足夠的能量掙脫正電荷的束縛而逃離金屬的表面。根據(jù)經(jīng)典電磁理論的計算，如果用強度較弱的光照射金屬的表面，需要等待幾秒鐘才會有電子逃出來。

利用經(jīng)典電磁理論所做的以上分析和判斷與實驗事實完全矛盾。由此看來，經(jīng)典電磁理論從原則上無法解釋光電效應的基本特性。

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